电能收集充电器设计方案.pdf

电能收集充电器设计方案 随着社会的发展，能源已经成为当今的社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源突然中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断的为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为此，都使用了可蓄电池。这样，即使电力网停电，也可利用电能收集充电器进行储蓄电能。近年来，节能环保理念深入人心，对半导体 IC 设计和应用也提出了更高的要求。2008 年 11 月，五大手机制造商诺基亚、三星、索尼爱立信、摩托罗拉和LG电子联合发布了手机充电器的五星级标准。例如，待机功耗小于或等于 30mW 的手机充电器属于最高星级。相反，如果待机功耗500mW，则充电器标签上将无任何星级标记。为适应手机充电器的技术革新和发展，新近半导体制造于近期推出一种新的电源控制芯片 AP3768，并基于 AP3768 开发出全面满足能源之星外部电源 2.0 标准和五星级标准的充电器方案。在出现低压和小电流的情况下可以实现小电流的高效收集，在太阳能电池处于阴雨天或风力发电机处于小风情况下，这些发电系统只能输出较低的电压，同时电流也比较小，在这种情况下，通常传统的直接向蓄电池充电的控制器因电压达不到蓄电池充电电压而难以向蓄电池实现充电，或者达到充电电压但电流过小而损失太大达不到充进蓄电池的目的。因此，研究电能收集充电器很有现实意义。2 设计任务与要求 2.1 设计任务 设计并制作一个电能收集充电器，充电器及测试原理示意图如图 2.1。该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势 Es 在一定围缓慢变化，当 Es 为不同值时，直流电源变换器的电路结构，参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于 Es 的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式,以降低其能耗。可充电池的电动势 Ec=3.6V，阻 Rc=0.1。图 2.1 测试原理示意图 2.2 设计要求 2.2.1 基本要求 （1）在 Rs=100，Es=10V20V 时，充电电流 Ic 大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。（2）在 Rs=100时，能向电池充电的 Es 尽可能低。（3）Es 从 0 逐渐升高时，能自动启动充电功能的 Es 尽可能低。（4）Es 降低到不能向电池充电，最低至 0 时，尽量降低电池放电电流。（5）监测和控制电路工作间歇设定围为 0.1 s5s。2.2.2 发挥部分 （1）在 Rs=1，Es=1.2V3.6V 时，以尽可能大的电流向电池充电。（2）能向电池充电的 Es 尽可能低。当 Es1.1V 时，取 Rs=1；当 Es1.1V 时，取 Rs=0.1。（3）电池完全放电，Es 从 0 逐渐升高时，能自动启动充电功能（充电输出端开路电压3.6V，短路电流0）的 Es 尽可能低。当 Es1.1V 时，取 Rs=1；当 Es1.1V 时，取 Rs=0.1。（4）降低成本。（5）其他。3 设计方案的选择与论证 3.1 方案选择和论证 3.1.1 电源变换拓扑方案论证 本题目要求制作一个电能收集器，从输出 0v20v 电压（阻随功率变化）的直流电源吸收能量，给模拟电池充电。充电器输出电压不小于 3.6v，用吸入型电源模拟充电电池。方案一:用分离元件完成电路设计。利用专业的 PWM 波驱动芯片驱动 MOS 管，完成 DC-DC 的变换。可以方便控制输出电压，但是驱动 MOS 管首先需要较大电压，无法满足题目中电源电压变动围大的要求而且转换效率较低，功耗大，输出电压中的纹波大，对硬件系统要求高。方案二：CuK 变换器 如图 3.1，CuK 型变换器输出电压可通过公式（1）计算得到，能量存储和传递同时在两个开关期间和两个环路中进行，这种对称型可以使它达到较高的效率，两个电感适当耦合可以理论上达“零纹波”，但是该方案对电容要求较高，且需两个电感，成本高，同时输入输出相对地不同，控制电路相对复杂。公式（1）：图 3.1 CuK 变换器 方案三：BUCK 变换器与 BOOST 变换器组合 如图 3.2，在 Es=10V20V 时，采用 BUCK 电路实现功能，在ES(Es-Ec)/(Rs+Rc)=(10-3.6)/(100+1)=63.3mA 输出功率：PoUo*Io=3.6*0.063=0.23W 转换效率:=Po/Pi=(0.23/0.25)*100%=92%当 Es=20V 时，最大输出电压：Pmax=U2/(4Rs)=20*20/(4*100)=1W 输出电流:Ic(Es-Ec)/(Rs+Rc)=(20-3.6)/(100+1)=162.3mA 输出功率：PoUo*Io=3.6*0.163=0.587W 转换效率:=Po/Pi=(0.587/1)*100%=58.7%所以在最理想的情况下，电源的转换效率要大于 92%，才能满足Ic(Es-Ec)/(Rs+Rc)，并且必须使用同步整流技术。4.2 模拟可充电电池的分析 根据题目要求，当 Ec=20V 时，充电电流：Ic(Ec-Es)/(Rc+Rs)=0.16A 通过防止电流倒灌进的电阻为 Rd，则通过 Rd 的电流 IdIc(如下图所示),图 4.3 模拟可充电电池 所以RdEc/Id=3.6/0.16=22.5,但是，Rd过小会使Ec输出功率太大，经过试验决定，取Rd为 15 欧、5W 的水母电阻。4.3 单端反激变压器的设计与计算 因为同步整流技术只能当电感工作于连续模式时才能发挥作用，但考虑到 Es 在 10v20v 变化时，输出电流会很小 50mA240mA，要使变压器工作于连续模式所需电感量很大，会使成本和体积都增大，同时，绕线长度增加铜损也会增大；综合考虑，我把电感临界电流点 Ioc 设在 400mA 处，当输出电流 IoIoc 时，使能同步整流。变压器设计如下：根据题意，充电器输出最大功率 Pout=3.2 W,且 Ioc=400mA,在本电路中选用 TDk 磁芯 PQ265，f=20KHz 时其最大传输功率 15W。初级电感：总的负载功率：电流峰值：能量处理能力：电状态 Ke：磁芯几何参数：匝数计算：设气隙长度 lg=0.1mm，则初、次级匝数：5 系统硬件电路设计 5.1 主电路的设计与参数设计 主电路原理图采用单端反激拓扑，TPS2836 是具有同步整流功能的 PWM 驱动芯片，其静态功耗为 2mA，能 3.6V 供电，最大驱动电流 2A。IRF7822 是增强型 N 沟道 MOS 管，导通电阻 5.5m,损耗小，最大漏源电流 Ids=20A，完全能满足题目要求。图 5.1 系统硬件电路 图中 TPS2836 的 1 脚是 PWM 波的输入端，经部反相分别从 5 脚和 7 脚输出两路反相的 PWM 信号驱动 IRF7822，电阻 R1 和 R2 是起缓冲作用，防止驱动的电压尖峰击穿 MOS 管。3 脚 DT 端用作同步整流使能，低电平有效；当充电器输出电流小于 400mA 时，单片机将 3脚置高，不使能同步整流，5 脚输出低电平，IRF7822 截止，肖特基二极管 1N5819 工作；相反，当输出电流大于 400 mA 时，3 脚置低，使能同步整流，5 脚输出 PWM 波，IRF7822 正常工作。5.2 启动电路设计与参数设计 题目要求尽量低的 Es 能启动充电器，如图 5.2，使用升压芯片TPS61202 能够 Es=0.5 V 输入的情况下，稳定输出 5V 给控制电路供电，保证系统低电压空载启动。当输入电压大于 3.6 V 时，单片机控制继电器导通，TPS61202 不工作，控制及监测电路由充电器输出 3.6 V 供电。但遗憾的是由于时间原因，启动电路没能做出来，所以我的作品没有空载自启动的功能。图 5.2 启动电路 5.3 监控及控制电路的设计 根据题目要在 Es=10V20V 时达到 Ic 大于(Es-Ec)/（Rs+Rc）的要求，可得出监测和控制电路的功耗最大不能超过 10mW。由此，我选择 TI 的超低功耗单片机 MSP430F449 作为控制核心，其3.3V 时的静态电流为 280uA，4M 外部高速晶振下程序正常运行时的电流为 1.3mA，且其部具有 3 路 32 倍信号放大能力的 16 位 A/D，具有多路 PWM 波输出，完全满足本题最大输出电流追踪的要求。同时，单片机的绝大部分时间都工作在低功耗模式，以降低功耗，并由部定时器每隔一段时间低功耗唤醒一次，调节输出电流。其间隙低功耗时间在 0.1s 到 5s 围任意可调。5.4 电流采样电路的设计 系统监测输出的充电电流就需要对充电电流进行采样，采样电阻选用 0.5 欧的康铜丝，采样电阻两端接差分放大电路，将电流信号转换成 AD 可以采样的电压信号，然后送入 MSP430F449 部进行采样，处理，显示。差分放大器选用 CMOS 微功耗高精度运放 OPA335,电路尽量选择对称的电阻值，可以做到较高的共模抑制比，可以抑制电路中的纹波干扰，较高精度的采到充电电流。6 系统软件设计 6.1 MSP430 单片机简介 由于电能收集充电器对系统的功耗及效率均要求很高，所以应用最为广泛的正 5 伏供电的 51 系列单片机就不太合适了，正 5 伏供电的单片机将会使系统功耗增大及效率降低。所以要寻求供电电压低的低功耗单片机。而 MSP430 系列单片机由于它具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点，同时部还集成了高精度 AD 转换器，这将会在一定程度上降低系统的功耗，在此选用 MSP430 系列MSP430F449 这一款单片机。为了更深入了解 MSP430 单片机，下面再具体介绍它的部结构和外部电路。MSP430 系列单片机是美国仪器(TI)1996年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在运算速度方面，MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。16 位的数据宽度、125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us。超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时,芯片的电流会在 200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL 和 FLL+）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为 0.7uA，在节电方式下，最低可达 0.1uA。系统工作稳定。上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障，DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器 A、定时器 A（Timer_A）、定时器 B（Timer_B）、串口 0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10 位/12 位 ADC、16 位 Sigma-Delta AD、直接寻址模块（DMA）、端口 O（P0）、端口 16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线；P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 IIC 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430 系列单片机的这些片外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。方便高效的开发环境目前 MSP430 系列的主要开发环境是IAR Embedded Workbench。该软件界面友好，功能强大，支持 C，C+，汇编语言，能在线调试和仿真。程序下载采用 JTAG 方式，下载到部的 FLSH 里面去。图 6.1 MSP430 部的功能框图 因为我只要用到 MSP430 的 AD 模块，所以只用单片机的 P6.0 端口，其它都是单片机的部资源。根据系统要完成的功能，程序共分为时钟模块，定时器模块，ADC 转换模块，中断模块。下面分别介绍它们的程序。时钟模块：因为 MSP430 部有很多时钟，如 DCO,ACLK,SMCLK 等。但是根据系统要求，最终选用 SMCLK 作为系统时钟，它的初始化程序如下：void InitClk()FLL_CTL0|=XCAP18PF;/Set load capacitance FLL_CTL1&=XT2OFF;/Turn on XT2,XT2 is off if it is not used FLL_CTL1=SELS;/Select SMCLK source as XT2CLK 定时器模块：MSP430 部有丰富的定时器，我选用定时器 B 作为 ADC 采样的时钟，也作为监控电路工作间歇的时钟源。它的初始化程序如下：void InitTimerB()TBCTL=TBSSEL_2+MC_2;/SMCLK,continuous mode TBCCR0=50000;TBCCTL0=CCIE;/CCR0 interrupt enabled ADC12 模块：MSP430F449 部有 12 位的 ADC 转换模块，选用部的参考电压，转换精度高，并且极大的降低的系统的功耗，它的初始化程序如下：void InitADC12()int i;ADC12CTL0=SHT0_2+ADC12ON+REFON;ADC12CTL0|=REF2_5V;/选择 2.5V 参考电压 ADC12CTL1|=SHP;/Use sampling timer ADC12CTL0|=ENC;/允许转换位 ADC12MCTL0=SREF_1;/select ADC nternel reference for(i=0;i0。(3).当 Rs=1，Es=1.2V3.6V 时，充电电流 Ic 的值如下表：Es(V)1.23 2.04 2.57 3.10 3.62 Ic(mA)38.6 70.2 95.3 131.7 142.2(4).能向电池充电的最低 Es(Ic0)如下表：条件 Es1.1V 1.1VEs3.6V 最小 Es(V)0.88 1.1 4.1 (5).Es 从 0 逐渐升高时，能自动启动 Es 的充电功能的值：条件 Es1.1V 1.1VEs3.6V 最小 Es(V)0.92 1.1 3.88 (6)当 ES=0 V，Ec=3.6 V 时，电池的放电电流 Ic=0.35mA.(7)监控和控制电路工作间歇设定围能在 0.1S5S 程控设定，步进0.5S。7.4 结果分析 根据实际测得的结果，充电时的最大电流值不是稳定在一个固定的值，而是在某个值附来回跳动，其是由于单片机在追踪最大电流值时不停地改变占空比所造成的；并且在最大流输出时充电器并未工作在最大功率传输点，这是由于后端电源等效为一个容性阻抗所致。8 总结 本系统以 TI 低功耗单片机 MSP430F449 作为控制核心，结合 MOS 驱动 TPS2836、低导通电压开关管 IRF7822，设计并制作了该电能收集充电器，完成了题目所给的基本和发挥部分的大部分要求。通过这次设计，我们学到了很多东西，感触颇多，受益匪浅。参考文献 1 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M.电子工业,2001.2 周志敏,周纪海,纪爱华.便携式电子设备电源设计与应用M.人们邮电,2007 3 周志敏,周纪海,纪爱华.充电器电路设计与应用M.人们邮电,2005 4 户川治郎.实用电源电路设计M.天津社会科学,2006.5 周志敏,纪爱华.集成稳压电源电路图集M.中国电力,2008.6 建华,艳琴,翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M.清华大学,2004.7谭浩强.C 程序设计(第二版)M.清华大学,1999.8光飞.单片机课程设计实例指导M.:航空航天大学，2004.9明义.电子技术课程设计使用教程M.：中南大学 2002.10永河，沙河，向阳电子线路 CAD 实用教程M：电子科技大学，2001.11 Donald A.Neamen.Electronic circuit analysis and designM.Tsinghua University Press and Springer Verlag.2002.12 赛尔吉欧 佛朗哥(Sergio Franco),树棠等译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计(第 3 版)：交通大学 2004.8.致 附录：附录 A：系统电路图 INPGNDDTVCCLOBLHOBHJP12836SSSGDDDDJP2IRF78223.6vR110112233445566778899JP7Component_1SSSGDDDDJP10IRF7822D1R2RES2 1+C2CAP3+C3CAP3+C4CAP3VO+C1CAP3Vipwm insync23467U?EL2170R2R1R3A3.6VCY图（A1）图（A2）附录 B：程序清单#include typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;uint counter=0;uint flag=0,flag1=0,flag2=0,flag3=0,flag4=0,flag5=0,flag6=0;uint result=0;void Delay(uint timer)while(timer-);void Delay_S(uint count)while(count-)Delay(5000);/初始化时钟函数 void InitClk()volatile uint i;FLL_CTL0|=XCAP18PF;/Set load capacitance FLL_CTL1&=XT2OFF;/Turn on XT2,XT2 is off if it is not used for MCLK or SMCLK.FLL_CTL1=SELS;/Select SMCLK source as XT2CLK P1SEL|=BIT4;/初始化定时器 A 函数 void InitTimerA()TACTL=TASSEL_2+MC_1+TACLR;/定时器时钟源是 SMCLK,计数器工作在增计数模式 CCR0=396;CCTL1|=OUTMOD_7;/PWM 输出模式 CCTL2|=OUTMOD_7;/PWM 输出模式 P1DIR|=BIT2;/P1.2 端口的管脚为输出,也就是 P1.2 输出 PWM 波 P1SEL|=BIT2;/PWM 输出,第二功能 P1DIR|=BIT0;/TPS2836 的 DT 端口的控制引脚设计输出，SYNC P1OUT|=BIT0;/初始化时不同步整流，输出高电平 void InitPWM()CCR1=198;/50%CCR2=198;Delay_S(2);CCR1=178;/45%CCR2=218;Delay_S(2);CCR1=158;/40%CCR2=238;Delay_S(2);CCR1=138;/35%CCR2=258;Delay_S(2);CCR1=118;/30%CCR2=278;Delay_S(2);CCR1=100;/25%CCR2=296;Delay_S(2);CCR1=80;/20%CCR2=316;Delay_S(2);CCR1=64;/16%CCR2=332;Delay_S(2);CCR1=36;/9%CCR2=360;Delay_S(2);CCR1=24;/6%CCR2=372;Delay_S(2);CCR1=16;/4%CCR2=382;Delay_S(2);CCR1=12;/3%CCR2=384;Delay_S(2);CCR1=8;/2%CCR2=388;Delay_S(2);CCR1=4;/1%CCR2=392;Delay_S(2);/初始化定时器 B 函数 void InitTimerB()TBCTL=TBSSEL_2+MC_2;/SMCLK,continuous mode TBCCR0=50000;TBCCTL0=CCIE;/CCR0 interrupt enabled /单通道单次转换，选择部参考电压/Inference voltage Vr+=VREF+,Tr-=AVSS void InitADC12()int i;ADC12CTL0=SHT0_2+ADC12ON+REFON;/Set sampling time,turn on ADC12 /ADC12CTL0|=REFON;/部参考电压打开,1.5V ADC12CTL0|=REF2_5V;/选择 2.5V 参考电压 ADC12CTL1|=SHP;/Use sampling timer ADC12CTL0|=ENC;/允许转换位 ADC12MCTL0=SREF_1;/select ADC internel reference voltage.Vr+=VREF+,Tr-=AVSS for(i=0;iresult)result=ADC12MEM0;if(CCR1=199)/90%CCR1=198;CCR2=198;flag1=CCR1;flag2=CCR2;CCR1+=4;CCR2-=4;LPM3_EXIT;/exit low power module /Timer A0 interrupt service function#pragma vector=TIMERB0_VECTOR _interrupt void TimerB0_ISR()TBCCR0+=50000;/Add Offset to CCR0 counter+;if(counter=20)counter=0;flag=1;LPM3_EXIT;/exit low power module